頻譜分析系列：如何準確測試75 Ohm系統(tǒng)的信號

頻譜分析系列：如何準確測試75Ohm系統(tǒng)的信號？射頻同軸線纜特征阻抗的選擇，主要取決于功率容量、衰減強度、可加工性等因素，然而最大功率容量和最小衰減性能對應的特征阻抗是不同的。在射頻領域通常采用50Ohm特征阻抗的原因，就是綜合考慮了以上因素。也就是說，50Ohm特征阻抗對應的功率容量和衰減性能都不是最佳的。單論衰減性能，75Ohm特征阻抗要比50Ohm低不少，但是其應用領域比較專一，主要應用于廣播、電視信號的信號傳輸。本文就跟大家聊一聊75Ohm系統(tǒng)下的信號測試，對于這種信號的測試，如果頻譜儀支持75Ohm系統(tǒng)阻抗，可以直接進行測試。但是，絕大多數(shù)通用頻譜儀只有50Ohm系統(tǒng)阻抗，如何進行準確的測試呢？如果頻譜儀僅支持50Ohm系統(tǒng)阻抗，直接測試諸如廣播、電視信號，那么測試的信號電平必然由于阻抗失配而存在較大的誤差。為了提高電平測試精度，必須要引入阻抗匹配電路。直接串接25Ohm的電阻能否改善電平測試精度？當然，此處認為電阻可以覆蓋工作頻率范圍。如圖1(a)所示，當串接一個25Ohm電阻時，在參考面Ref.1處，阻抗是匹配的，而在參考面Ref.2處，阻抗嚴重失配，回波損耗達到-9.5dB。相比之下，不使用任何匹配，直接將源連接于頻譜儀測試時，測試參考面處的回波損耗約-14dB。可見，直接串接25Ohm的電阻，反而不如直接連接測試的情況好。這種局部匹配的方式并不能有效改善測試精度。(a)通過25Ohm電阻實現(xiàn)阻抗匹配(b)通過一個匹配網(wǎng)絡實現(xiàn)真正的阻抗匹配圖1.75Ohm系統(tǒng)的測試需要阻抗匹配以提高電平測試精度真正的阻抗匹配應該像圖1(b)所示，無論是從哪個參考面看，阻抗都是匹配的，此時便可以實現(xiàn)高精度的電平測試。如何設計這種匹配電路呢？匹配電路的設計有哪些考慮因素？對于匹配電路的設計，需要從如下三個方面著手考慮：(1)匹配電路的帶寬是否足夠，是否具有平坦的幅頻響應；(2)匹配電路的損耗能否盡可能低，這對于弱信號的測試尤為重要；(3)是否可以實現(xiàn)完全匹配，只有完全匹配才可以實現(xiàn)高精度電平測試。廣播、電視通常工作在VHF、UHF頻段，可以通過采用電感、電容構成“L型”匹配網(wǎng)絡實現(xiàn)50Ohm與75Ohm阻抗的變換，而且這種電抗性匹配網(wǎng)絡的損耗非常低，但是其帶寬較窄，而且幅頻響應平坦度不是很好，除非采用高階匹配電路，然而這又增加了匹配電路的設計難度和損耗。有沒有更合適的匹配電路設計方法呢？答案是肯定的，通過采用高頻電阻設計匹配網(wǎng)絡，不僅可以實現(xiàn)完全匹配，而且具有平坦的寬帶幅頻響應，但缺點也是很明顯的——損耗大。對于這種匹配電路，可以將其理解為一個具有阻抗變換作用的衰減器，目前市面上的這種50-to-75Ohm阻抗變換器基本都是采用這種設計方式。損耗最小的電阻匹配網(wǎng)絡——MLP采用高頻電阻設計匹配網(wǎng)絡是很有講究的，電阻畢竟會損耗信號，匹配網(wǎng)絡中電阻太少起不到阻抗匹配的作用，電阻太多了損耗太大，會降低系統(tǒng)測試靈敏度。其實存在一種最低損耗的匹配網(wǎng)絡，通過兩個電阻即可實現(xiàn)，通常稱之為MinimumLossPAD(MLP)。下面就介紹一下這種電阻匹配網(wǎng)絡的設計，以及如何選擇電阻的阻值。圖2.由電阻構建的MinimumLossPADMLP阻抗變換網(wǎng)絡的拓撲結構比較簡單，就是由兩個電阻構建的“L型”網(wǎng)絡，如圖2所示，如果要在左、右兩個參考面處得到期望的阻抗，兩個電阻值應該如何選取呢？電阻值的確定需要根據(jù)歐姆定律計算，就是串并聯(lián)阻抗的計算過程，具體推導過程不再詳述，這里只給出結論?？紤]

Z1

>Z2

的情況，則為了實現(xiàn)兩個參考面處的阻抗匹配，需要的R1和R2分別為如何確定MLP的衰減度呢？MLP衰減度的確定依然需要根據(jù)歐姆定律，結合圖3所示的等效電路圖，便可以確定輸入、輸出電壓之間的關系，繼而確定輸入、輸出功率之間的關系。經(jīng)過一番推導，輸入、輸出功率之間的關系如下這意味著MLP阻抗變換網(wǎng)絡的衰減度為圖3.引入MinimumLossPAD后的等效電路圖對于50-to-75Ohm的阻抗變換設計，根據(jù)如上公式，可以確定電阻R1和R2分別為R1=43.3Ω

R2=86.6Ω對應的損耗為-5.72dB。實際使用頻譜儀測試時，可以直接將此損耗值寫入頻譜儀，以對測試的電平值自動進行補償。值得一提的是，采用三個或更多個電阻同樣可以實現(xiàn)阻抗變換，只是這種更高階的電路意味著更大的損耗。而一個電阻無法實現(xiàn)阻抗變換，因此圖2所示的這種網(wǎng)絡是起到阻抗變換的最小衰減網(wǎng)絡，這也是稱之為MinimumLossPAD的原因。另外，選擇電阻時也要注意電阻的頻率范圍，必須要能夠覆蓋所要測試的信號頻率范圍，否則設計的阻抗匹配網(wǎng)絡將達不到預期的效果。75Ohm系統(tǒng)的接口是什么樣的？與50Ohm系統(tǒng)的接口兼容嗎？測試中常用的BNC、N、SMB、SMC等接口都有50Ohm和75Ohm特征阻抗之分，在廣播、電視領域，應用更多的是75Ohm特征阻抗的N型接口。對于同軸連接器及線纜，特征阻抗取決于內外導體的半徑之比。75Ohm的N型接口和50Ohm的N型接口，兩者的外導體尺寸相同，而特征阻抗越高則內導體越細，兩種接口如圖4所示。因此，75Ohm的陽頭可以與50Ohm的陰頭相連接，而75Ohm的陰